パスタブリッジで構造力学を楽しく学ぶ。位相最適化の実例に驚く!

モノづくりの設計ツールとして3D CADを使いシミュレーションが普及していますが、設計現場では1つの製品や部品の一部だけが設計担当者に割り当てられるため、実際に設計をしていても、自分で設計した部品や製品をリアルなモノとして見たり、触ったりできる機会は少なくなっています。

パスタブリッジとは、食べ物のパスタを使って作る橋のことです。

私はパスタブリッジ研修の運営側として参加したことがありますが、改めて学ぶこともあり貴重な経験の1つとなりました。参加者の声を聞くと、自分たちで考え、設計し、自らの手で作りとてもよい経験になったようです。

ここでは、技術だけでなく営業を含めたチームによるパスタブリッジの研修についてまとめています。

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パスタブリッジとは

パスタブリッジとは、食べ物のパスタを使って橋を作ることです。

パスタブリッジの形状(種類)は、トラス構造の例が多いようですが、次項で説明しますが橋の大きさ(空間)の制約の中で自由な形状を設計・製作します。

その他の制約条件としては、設計や製作時間、パスタの種類や量、パスタ同士の接着にはホットボンド(グルーガン)を使うことなどがあります。

ブリッジ(橋)の種類

トラス橋の例を紹介します。

下図は、東京ゲートブリッジです。トラス構造ですが珍しいデザイン(形状)で恐竜橋とも呼ばれているそうです。

東京ゲートブリッジ

東京ゲートブリッジ

図1 東京ゲートブリッジ

以下、斜張橋の例です。

シンプルなデザインです。

横浜ベイブリッジ

横浜ベイブリッジ

図2 横浜ベイブリッジ

レインボーブリッジ

レインボーブリッジ

図3 レインボーブリッジ

はかせ
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写真でみても美しい構造美を感じませんか。

パスタブリッジ・コンテストの紹介

パスタブリッジ・コンテストがどの様なものかにについては、東京大学大学院の泉・波多野研究室のページをご参照ください。

様々な構造(形状)のパスタブリッジの例があります。

はかせ
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「材料力学・有限要素法の専門知識をベースに、身近な材料であるパスタで、パスタブリッジを設計・製作」とあるようにさすが工学系といった内容です。

Izumi & Hatano Lab.
東京大学泉・波田野研究室

パスタブリッジ研修の概要(一例)

パスタブリッジの概要を下図で説明します。

パスタブリッジの概要

パスタブリッジの概要

図4 パスタブリッジの概要

パスタブリッジは、パスタをホットボンド(グルーガン)で固定(接着)します。

上図の灰色の2つの机の間にパスタブリッジを置いて、中央部に荷重(上図ではペットボトル)を加えます。

パスタブリッジ研修の前提条件

  • 使用するパスタは、以下の3種類とします。
    • 1.3mm、1.6mm、1.9mm
    • 事前に提出された組立図に示された種類と本数を組立時に支給します。
  • パスタの接着には、ホットボンド(グルーガン)を使用します。ホットボンドは、組立時に支給します。
  • パスタブリッジの形状
    • パスタブリッジの幅は、決められた幅以内とします。
    • その他の形状については自由です。
  • 図4のように設置したパスタブリッジの中央部に荷重をかけて2分間パスタブリッジが変形しなければ、その荷重をクリアしたとみなします。
はかせ
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どの程度の制約条件にするかは、1度やってみないと分からない部分もありますので、試作(お試し実験は必要です)。

運営側で事前に検討、準備していても予想外のことは当然おこりますので、心の準備はしておくことをおすすめします。

パスタブリッジ研修のスケジュール

設計、製造、評価(荷重試験)は、以下の通りとします。

(1)設計(組立図の決定)

  • 組立図の提出期限:2020年12月1日 17:00
  • 外形寸法、使用するパスタの量を明記すること
  • 組立を担当する人を指名すること

(2)製造

  • 組立図に示されたパスタの種類、本数を支給します。
  • ホットボンドを支給します。
  • 組立時間は、1時間とします。
はかせ
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複数のチームで実施する場合には、互いに見える場所とするか、見えない場所にするかでも違いが出ておもしろいです。

(3)評価(荷重試験)

パスタブリッジの荷重試験を行います。

この際の注意点は、次の通りです。

  • パスタブリッジの一点に荷重が加わらないようにすること
  • 順番は、組立前にあらかじめ決めておくことをおすすめします。

また、組立に引き続き評価(荷重試験)に進めることをおすすめします。

はかせ
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材料がパスタなので吸湿しますし、参加者にとってはすぐに試したいという気持ちも強いので、時間設定は運営側の工夫が必要になります。

パスタブリッジの感想:位相最適化の実例に感動

運営側は当日含めバタバタしたものの、予想以上に盛り上がり、楽しいイベントとなったようです。

パスタブリッジ研修の目的は、

  • 構造力学について学ぶ

ことですが、

  • 自分たちで設計、組立、評価(試験)することのメリット

が、予想していた以上に大きいものでした。

モノづくりは、やはり自分の手を動かして、体験することが今の時代でも有効なのだと考えています。

個人的に驚きと感動を覚えた設計例がありましたので最後に紹介します。

このチーム、最適設計のツールを使った位相最適化でパスタブリッジの構造を決めていました。

位相最適化とは、形状を最適化するもので、例えばある部品の軽量化を図る場合に、どの部分を薄くしたり、肉抜きをしたりすればよいかが(ぼんやりとですが)分かるシミュレーション方法です。

形状的にも美しく、組立(ホットボンドによる接着)も非常にきれいにできていました。

残念ながら形状を確認した際に、制約条件の幅より現物が大きく(幅が広く)なっていてルール上は失格でしたが、参考記録として荷重試験を行ったところ素晴らしい結果となっていました。

はかせ
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一言で言えば設計ミスですが、チームの誰もが気づかず、これはこれで貴重な学びとなっていたようです。

少々専門的にはなりますが、以下の本はCAEによるシミュレーションについても説明しており、シミュレーション教育を担当する方にも参考になっているようです。

ハンマリング試験から始めるモード解析入門
Amazon.co.jp: ハンマリング試験から始めるモード解析入門 eBook : はかせ: 本

まとめ

3D CADを設計ツールとしたモノづくりが主流になりましたが、作図工数が増えたこともあり、自分で設計したモノ(部品、製品)を実際に目にしたり、手に取ったりする機会が少なくなっています。

パスタブリッジは、構造力学を体感できるだけでなく、1人ではできないモノづくりを知るよい機会にもなると考えています。

ここでは、以下の項目で説明しました。

  • パスタブリッジとはブリッジ(橋)の種類
    • パスタブリッジ・コンテストの紹介
    • パスタブリッジ
  • 研修の概要(一例)
    • パスタブリッジ研修の前提条件
    • パスタブリッジ研修のスケジュール
  • パスタブリッジの感想:位相最適化の実例に感動
はかせ

ISOを学ぶきっかけは、知り合いの社長さんからのISO認証取得の相談からでした。
品質マネジメントは、会社をよくするツールであり、チームやプロジェクトにも使えるよくできた仕組みです。

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